激光熔化沉积高温钛合金Ti60快速凝固组织

运用激光熔化沉积快速成形技术制备了600℃高温钛合金Ti60棒状及板状试样,分析了其凝固组织及稀土复合物的析出行为。结果表明,激光连续熔化沉积Ti60棒状试样由以棒材轴心呈微"八"字形对称分布的定向生长柱状晶构成,柱状晶内部为近乎无侧向分枝的胞状晶组织,且在胞壁上存在细小均匀分布的稀土复合物;而激光逐层熔化沉积多道搭接板状试样具有更为细小的完全无侧向分枝"之"字形交替生长超细胞晶快速定向凝固组织,其超细胞晶间距仅为5～9μm,且晶内稀土复合物较棒材更加细小密集。

高温钛合金Ti60线性摩擦焊接头形貌特征及接头性能分析

对高温钛合金Ti60进行了线性摩擦焊接工艺研究,并对接头进行了退火处理,对比分析了退火前后接头形貌的微观组织变化,结合焊接参数的影响,分析了接头力学性能以及焊接能量输入对接头性能的影响。研究结果表明,接头强度可以达到与母材等强,但是塑性指标较低;焊接参数振幅对能量输入影响最大。焊后热处理能促使焊缝晶粒细化并均匀分布,但对热影响区和母材的组织影响不大。

高温热暴露对Ti60钛合金高周疲劳性能的影响

研究了高温热暴露对Ti60钛合金室温旋转弯曲高周疲劳性能的影响,通过分析试样的表面特征和内部组织,阐明了疲劳性能变化的原因。结果表明,600℃×100 h热暴露后合金的室温强度升高、塑性下降,室温旋转弯曲高周疲劳强度由470 MPa提升至543.3 MPa。疲劳性能的变化是由表面特征和内部组织变化共同引起的,热暴露导致试样表面产生由TiO_(2)及Al_(2)O_(3)组成的氧化膜,表面粗糙度增加、质量变差,对疲劳性能产生不利影响;同时,热暴露致使合金中α_(2)相和硅化物的析出数量增加,且尺寸增加,析出相的变化使得合金强度增加,并进一步提升疲劳强度。综合两方面作用,析出相对旋转弯曲高周疲劳强度的提升强于表面粗糙度增加所产生的不利影响,是疲劳性能提高的主要因素。

Ti60高温钛合金的热变形行为Ⅰ:本构方程

采用Gleeble-3800热模拟试验机对Ti60钛合金进行了热压缩实验,研究该合金在变形温度800~1150℃和应变速率0.001~1 s^(-1)区间内的热变形行为。结果表明:变形温度和应变速率是决定Ti60钛合金流变应力大小的主要因素,随变形温度升高,应变速率降低,流变应力减小,表现出较强的温度敏感性和应变速率敏感性;随应变增大,合金的流变应力达到最大值,之后趋于平稳,呈现出流变软化特征。采用双曲正弦模型确定合金在800~900℃、950~1020℃和1050~1150℃的变形激活能分别为545.82、732.78和116.19 k J·mol^(-1),进而建立了合金在不同温度区间变形的本构方程,为制定和优化最佳形变加工工艺提供了理论依据。

Ti60高温钛合金氧化行为研究

研究Ti60高温钛合金在600～750℃范围内的氧化行为。氧化增重试验及XRD、SEM分析结果表明,Ti60合金在600～750℃范围内氧化0～100h条件下,由Wagner的氧化经验公式计算得氧化指数n在1～2之间,氧化激活能为256kJ/mol,氧化符合线性-抛物线混合规律。在600℃氧化100h及750℃氧化10h,氧化产物为TiO2,经750℃、100h长时间氧化后,表面有少量Al2O3生成,氧化物优先沿原始β晶界形核。氧除了会在试样表面形成氧化层外,还会向基体中扩散形成脆性富氧层,从而影响合金力学性能。随着氧化温度的升高和时间的延长,富氧层厚度增厚。

Ti60钛合金中富钕稀土相颗粒对叶片室温振动疲劳性能的影响

采用振动疲劳实验及SEM断口分析等方法,研究了含稀土元素Nd的Ti60高温钛合金稀土相颗粒对叶片振动疲劳裂纹萌生的影响。结果表明:叶片振动疲劳寿命与稀土相颗粒的尺寸和分布位置具有密切关系。稀土相颗粒尺寸越大,对叶片振动疲劳裂纹的萌生作用也越大,疲劳寿命降低;外露于或镶嵌于叶片表面的稀土相颗粒明显促进了叶片振动疲劳裂纹的萌生。

Ti60高温钛合金的超塑性拉伸行为及组织演变

通过高温拉伸试验研究了Ti60合金在940～1000℃、6.7×10-5～3.3×10-2s-1应变速率条件下的超塑性变形行为及组织演化规律。结果表明Ti60合金具有较宽的超塑性变形温度及应变速率范围,在上述所有实验条件下都具有超塑性,伸长率220%～527%。最佳超塑性拉伸变形条件为980℃、3.3×10-4s-1,在此条件下,该合金伸长率达到最大值527%。在超塑性拉伸过程中,有晶界滑动、晶内变形、动态再结晶及扩散蠕变等过程发生,试样变形区由于发生动态再结晶,原始条状初生α相明显等轴化。

Ti60钛合金室温保载疲劳性能及断裂行为

研究高峰值应力条件下Ti60钛合金双态组织和片层组织的低周疲劳与保载疲劳性能,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)等观察和分析Ti60钛合金的显微组织与疲劳断裂行为。结果表明:显微组织对低周疲劳性能影响不大,但显著影响保载疲劳性能,双态组织保载疲劳敏感性大于片层组织;保载情况下,疲劳寿命显著下降;随峰值应力的提高,疲劳寿命下降,保载疲劳敏感性增加;相同循环周次内,保载疲劳塑性应变累积大于低周疲劳,双态组织的塑性应变累积大于片层组织;低周疲劳裂纹萌生于试样表面,为单裂纹源,而保载疲劳裂纹为内部多源萌生;断口表面均存在准解理小平面,双态组织断口准解理小平面密度大于片层组织。

Ti60近α钛合金的热变形行为和组织演化

通过热压缩模拟试验和微观组织表征研究了Ti60钛合金在变形温度为975~1080℃、应变速率为0.001~1 s^(-1)下的流变行为和微观组织演化规律。结果表明,Ti60钛合金在高应变速率变形时热效应导致的温升明显,并存在不连续屈服现象。随着变形温度由975℃增加到1080℃,Ti60钛合金变形组织发生混晶组织双态组织全针状组织的转变。α单相区变形时,硬取向α晶粒几乎不发生变形和转动,软取向α晶粒在大变形后发生动态再结晶。Ti60钛合金在两相区变形时材料发生αβ相变,当应变速率小于0.1 s^(-1)时,即形成全针状组织,而在应变速率为1.0 s^(-1)时,变形时间短,相变不充分,形成双态组织。此外,α相再结晶机理为不连续动态再结晶,再结晶晶粒尺寸随应变速率的增加而逐渐降低,再结晶晶粒的取向较随机,主要的织构成分为CD//{1210}(CD为压缩方向),最大织构强度约为1.42,且强度随应变速率的升高略有增强。

等温锻造应变速率对Ti60/Ti-22Al-25Nb双合金焊件组织及性能的影响

通过等温锻造对Ti60/Ti-22Al-25Nb双合金焊件焊接界面进行了强化,研究了应变速率对等温锻造过程中母材和焊接接头组织的影响,并对锻后和热处理后的双合金件进行了室温力学性能测试。结果表明,经等温锻造后,焊缝原始粗大枝晶被破碎并发生动态再结晶形成细小等轴晶粒。焊接时形成的偏析、孔洞、夹杂等被压实或者压合,使组织变得更加紧密。焊缝中针状脆性O相和马氏体α'相在高温下发生分解,分别形成α_2相和α+β相,而分解后形成的α/α_2相被变形破碎并发生球化。当应变速率为0.001 s^(-1)时,等轴α/α_2相占比较大,且更加细小。弥散分布的细小等轴α/α_2相较好地强化了焊缝。经0.001 s^(-1)应变速率等温锻造后,合金的强度和塑性都得到大幅提高,综合性能匹配较好。

退火温度对Ti60 钛合金激光焊接接头组织与力学性能的影响

采用激光焊接对Ti60高温钛合金进行对接焊试验,对接头的表面成形状态以及宏观组织形貌进行了观察。对焊接接头在不同温度(600、750及900℃)下进行了退火处理,利用金相显微镜、硬度计、X射线残余应力检测仪与拉伸试验机分别对退火后接头的组织、硬度、残余应力以及室温拉伸性能进行了测试分析。结果显示,随着退火温度的升高,Ti60高温钛合金激光焊接接头熔化区的α'针状组织逐渐减少,而热影响区的α'针状组织逐渐增多,母材区的α相逐渐增多。焊接接头的残余应力逐渐降低,当退火温度高于750℃后,残余应力基本保持不变。750℃退火时焊接接头的拉伸性能最优。随着退火温度的升高,焊接接头熔化区与热影响区硬度逐渐降低,而母材区硬度在900℃退火后高于600与750℃退火后的。

Ti60钛合金扩散连接界面组织及剪切性能

在保温温度为900~960℃、保压压力为1~3MPa、保温保压时间为0.5~3.0h的条件下Ti60钛合金进行了扩散连接试验,测得扩散连接界面的剪切强度,并采用金相法测定了扩散连接界面的焊合率,分析了扩散连接条件对原始板材轧制方向室温拉伸性能的影响。试验结果表明:随着保温温度、保压压力增大以及保温保压时间延长,Ti60钛合金板材扩散连接界面的焊合率增加,剪切强度增大;在960℃/2MPa/2h的试验条件下,焊合率达到98.5%,剪切强度达到559.6MPa。Ti60钛合金板材经940℃/2h高温保温后,室温抗拉强度由1154.5MPa降低至994.1MPa;保温温度达到940℃后,升高温度和延长保温保压时间对Ti60钛合金的室温强度影响不大。

Ti60钛合金超塑变形行为及本构模型

为确定Ti60钛合金的超塑变形行为,促进Ti60钛合金工程化应用,进行了Ti60钛合金在变形温度为880~960℃和应变速率为0.0001~0.01 s^(-1)条件下的超塑拉伸试验。结果表明:Ti60钛合金在960℃、0.001 s^(-1)条件下的伸长率达到最大值,为365%;在较低应变速率(0.001和0.0001 s^(-1))条件下,材料呈现明显的应变硬化,在较低变形温度(880℃)、较高应变速率(0.01 s^(-1))条件下,材料出现应力软化;当变形温度一定时,随着应变速率的降低,峰值应力降低。基于Arrhenius方程构建了本构模型,并提出不区分流动应力水平直接求解Arrhenius方程的方法,引入应变变化修正Arrhenius方程。修正Arrhenius方程的理论计算值与试验值的相关系数R为0.9914,平均相对误差为6.62%,计算结果与试验结果误差在可接受范围内,为采用Ti60钛合金进行复杂构件超塑成形提供数据支撑。

激光增材修复Ti60钛合金显微组织及力学性能

对整体叶盘材料Ti60钛合金进行激光增材修复,研究其显微组织及力学性能。结果表明,热影响区组织呈现由基体区双态组织向修复区网篮组织的过渡特征,平均宽度约为900μm。修复区主要由贯穿多个沉积层的外延生长的柱状晶组成,柱状晶内为分布均匀的α相网篮组织。3个区域内均弥散分布着Ti_(3)(Sn,Al)小平面相,尺寸相近,其形貌和含量却因制备工艺凝固速度的不同而差异明显。3个区域硬度相当。拉伸试样断口特征表明激光增材修复Ti60钛合金的断裂机制为混合型断裂,平均抗拉强度和屈服强度分别为992.4和916.6 MPa,优于Ti60钛合金锻件强度标准,断后伸长率和断面收缩率的平均值为8.5%和14.6%,与Ti60钛合金锻件标准相差不大,达到实际工程应用要求。

钛合金电子束焊接表面残余应力的测试和有限元分析

采用多束电子束流焊接Ti60钛合金,并利用小孔法和有限元分析方法分别测试和模拟焊后残余应力值。对焊前预热、焊后缓冷和焊前预热+焊后缓冷三种焊接工艺下的残余应力值进行比较,研究残余应力的分布规律。研究结果表明,在垂直焊缝截面上,纵向残余应力σ_x的模拟结果与测试结果在变化趋势上基本一致。在平行焊缝截面上,实测与模拟纵向残余应力σ_x的分布规律相似。证明了有限元模型的合理性和可靠性。采用预热+焊接的焊接工艺对残余应力影响不大,采用焊接+缓冷的焊接工艺可以改变残余应力的分布。

Ti60钛合金T型接头双激光焊接组织与力学性能研究

采用双激光焊接技术完成Ti60钛合金T型接头焊接,观察接头的表面与内部质量,利用光学显微镜对接头各区域的组织结构进行观察与分析,测试接头的硬度,最后对接头进行不同温度的拉伸测试。结果显示,选用设定的工艺参数完成T型接头焊接后,接头的表面与内部质量良好,没有明显的缺陷;由于焊接时接头各区域受到热循环状态的差异,接头各区域的组织形貌随着离焊缝中心距离减少,晶粒尺寸逐渐增大,β相逐渐减少,α与α′相逐渐增多;显微硬度呈现出热影响区最高,焊缝区域次之,母材区域最低的趋势;不同温度的拉伸测试结果显示拉伸断裂位置均位于母材处,随着拉伸温度的升高,抗拉强度、屈服强度逐渐降低,延伸率逐渐升高,同时各指标在大于550℃区域随温度的变化率大于低于550℃的变化率。

激光熔覆Ti60合金的工艺参数优化及组织性能研究

主要研究了激光熔覆Ti60合金的工艺参数对成形质量的影响,以及微观组织特征和拉伸性能。结果表明,激光熔覆Ti60合金试样的底部和顶部区域为β等轴晶粒,中部区域为β柱状晶,且尺寸随着激光功率的增加而增大。显微组织主要由板条α相和板间β相构成,且板条α相中有大量白色析出相产生,随着激光功率的增加,微观组织由网篮组织转变为魏氏组织。块体试样的显微硬度分布较为均匀,其硬度值在420~440 HV范围内波动。激光熔覆Ti60合金的室温抗拉强度为1128 MPa,断后延伸率和断面收缩率分别为8.8%和14.4%。当温度为300℃和600℃时,抗拉强度分别为932 MPa和739 MPa,在600℃时,断后延伸率和断面收缩率分别为11.7%和18.2%。激光熔覆Ti60合金试样在室温下的断裂方式为准解理断裂,高温下其断裂方式为韧性断裂。

板厚对Ti60钛合金电子束焊接头显微组织及力学性能的影响

研究了不同厚度Ti60钛合金板材电子束焊接接头的显微组织与力学性能。结果表明,不同厚度Ti60合金板材的焊接接头均由熔化区(FZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)组成。焊接接头FZ均由粗大的柱状晶组成,柱状晶内的显微组织均由细小的片层α相和少量β相组成,板材厚度对FZ中柱状晶内部的组织形态影响不明显。焊接接头显微硬度均呈"马鞍形"分布,其中FZ显微硬度最高,BM最低。焊接接头拉伸试样断裂均发生于BM,其抗拉伸强度等强于BM。

基于高速摄影技术的Ti60钛合金热压缩变形开裂准则研究

以Ti60高温钛合金为研究对象,提出一种采用高速摄影技术来确定钛合金热压缩过程中临界开裂应变的新方法,该方法通过采用2个对称分布的高速摄影仪来准确捕获裂纹形核的位置以及裂纹扩展路径,可成功地获得热变形过程中的临界开裂应变。最终基于Oh准则,通过引入Zener-Hollomon因子,建立了可以考虑温度和应变速率综合影响的Ti60钛合金热变形的韧性开裂准则。采用FORTRAN语言二次开发子程序将热变形开裂准则嵌入商用有限元软件DEFORM-3D中,对大规格Ti60合金铸锭热镦开裂行为进行预测,验证了模型的有效性。

热处理对Ti60钛合金板材力学性能的影响

本文研究了热处理工艺对Ti60钛合金板材的拉伸和持久性能的影响。研究表明,固溶热处理温度对板材的显微组织有显著影响,适当提高板材的固溶热处理温度可以显著改善板材的横、纵向组织均匀性。当固溶温度为950℃时,对板材的室温拉伸强度影响较小,板材的拉伸塑性最佳;固溶温度为980℃和1,000℃时,板材的拉伸性能和持久性能匹配最佳。Ti60合金10mm厚度板材的最佳固溶热处理温度为980～1,000℃。